Fahrwerksregelungen bei Traktoren

TRAKTORTECHNIK

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62 LANDTECHNIK 5/2007

Henning Jürgen Meyer und Shahriar Sarami, Berlin

Fahrwerksregelungen bei Traktoren

B

ei Standardtraktoren betragen die Höchstgeschwindigkeiten bis zu 60 km/h. Bei diesen Fahrzeugen werden neben einer Federung der Kabine und des Fahrer- sitzes vorwiegend hydropneumatisch gefe- derte Vorderachsen eingesetzt. Vollgefederte Fahrzeuge, etwa der Unimog, der JCB Fast- trac oder Spezialmaschinen wie selbstfah- rende Pflanzenschutzgeräte, bilden heute als vollgefederte Traktoren eher die Ausnahme, obwohl das Potenzial dieser Systeme zur Re- duzierung der negativen Schwingungsaus- wirkungen groß ist. Mit dieser Problematik befasste sich eine Studie des Silsoe Research Insitute. In dieser wurden Ganzkörpervibra- tionen an modernen Traktoren untersucht [1]. Es wurden die wirkenden Vibrationsbe- lastungen auf Menschen während der Trak- tornutzung für verschiedene Traktorfede- rungskonzepte (ungefedert; gefederte Kabi- ne; gefederte Kabine und Vorderachse;

vollgefedert) eingehender betrachtet. Es zeigt sich, dass die quadratischen Beschleu- nigungsmittelwerte sowie deren Streuung bei landwirtschaftlichen Arbeiten in der Re- gel geringer sind als für einen Traktor mit ge- federter Vorderachse und Kabinenfederung.

In der Arbeit von Hoppe werden mit Hilfe von Simulationsrechnungen Betrachtungen über die Fahreigenschaften vollgefederter Traktoren angestellt [2]. Auch er kann das Potenzial vollgefederter Fahrzeuge aufzei- gen. Von besonderem Interesse sind aber bei ihm Erkenntnisse über die Änderung der Schwingungseigenschaften und des Fahr-

verhaltens von Traktoren durch den Einbau von verschiedenen gefederten Hinterachsen.

Er vergleicht mit Hilfe der Mehrkörpersimu- lation drei Hinterachsaufhängungen des Trac-Fahrzeuges der Technischen Univer- sität Berlin. In der weiterführenden, hier vor- gestellten Arbeit wurde dieses Trac-Fahr- zeug, das auf einem MB-Trac 1600 basiert, in ein vollgefedertes Fahrzeug umgebaut, wobei die Hinterachsfederung hydropneu- matisch erfolgt und die konventionelle Vor- derachsfederung des Fahrzeugs zunächst beibehalten wurde. Mit Hilfe von Fahrversu- chen und Experimenten wurden die Simula- tionsmodelle überprüft und bestätigt, so dass sie für verschiedene Untersuchungszwecke zu nutzen sind.

Fahrwerksregelungskonzepte

Geregelte Fahrwerke ermöglichen insbeson- dere bei mobilen Arbeitsmaschinen auf viel- fache Weise das Fahrzeug an die jeweiligen Anwendungsbedingungen anzupassen. Das erreichbare Potenzial ist sowohl für den Be- reich der Fahrsicherheit als auch für den Fahrkomfort sehr groß, wobei die Rege- lungsart einen besonderen Einfluss hat.

Die unterschiedlichen Systeme werden anhand ihres Energieaufwandes, der Ein- griffshäufigkeit und der Sensorik eingeteilt.

Passive Systeme

stellen die einfachste Form dar. Sie verfügen über keinerlei Sensorik und bestehen nur aus

Die Fahrwerksfederung in Trakto- ren ist eine effektive Maßnahme zur Gewährleistung der Fahrsicherheit und eines hohen Fahrkomforts.

Vollgefederte Traktoren haben hier- bei gegenüber Standardtraktoren Vorteile, dem aber höhere Herstell- kosten gegenüber stehen. Das gilt besonders für hydropneumatisch gefederte Fahrwerke. In diesem Beitrag werden verschiedene Rege- lungskonszepte für Traktorenfahr- werke vorgestellt, die an der Tech- nischen Universität Berlin ent- wickelt und untersucht werden.

M. Sc. Shahriar Sarami arbeitet als wissenschaftli- cher Mitarbeiter am Fachgebiet Konstruktion von Maschinensystemen der Technischen Universität Berlin.

Prof. Dr.-Ing. Henning J. Meyer leitet das Fachge- biet Konstruktion von Maschinensystemen an der TU Berlin; e-mail: Henning.Meyer@tu-berlin.de

Schlüsselwörter

Traktorfederung, Schwingungen, semi-aktive Fahrwerksregelung, vollgefederter Traktor

Keywords

Tractor suspension, vibrations, semi-active chassis controller, fully suspended tractor

Bild 1: Heckteil des Versuchsfahrzeuges Fig. 1: Rear section of the test tractor

passiven Elementen. Ein Eingriff in das Schwingungssystem von außen ist weder vorgesehen noch möglich. Neben ihren nied- rigen Kosten und dem geringen Entwick- lungsaufwand sind sie den größten Ein- schränkungen unterworfen

Adaptive Systeme

sind Schwingungssysteme, deren Parameter durch eine einfache, oft manuelle Steuerung variiert werden können. Charakteristisch ist die relativ langsame Einflussnahme der Verstellung. Energetisch ist diese Variante anspruchslos und es wird keine aktive Ener- giezufuhr ermöglicht, sondern nur die cha- rakteristischen Merkmale der passiven Fe- der-Dämpferelemente verstellt. Auch diese Systeme verfügen über keine Sensorik zur Erfassung der vorliegenden Zustände.

Semiaktive Systeme

besitzen eine Sensorik zur Erfassung der ak- tuellen Zustände und ergänzen das System durch aktive Stellglieder. Sie unterscheiden sich von den adaptiven Systemen durch ihre direkte Reaktion auf Störgrößen und die ak- tuelle Situation.

Aktive Systeme

ersetzen oder unterstützen die passiven Ele- mente durch aktive Stellglieder (etwa Hy- draulikzylinder). Aktive Federungen besit- zen gegenüber den anderen einen höheren Energiebedarf. Bei ihnen kann die Reaktion in Abhängigkeit von fahrdynamischen Größen elektronisch geregelt werden, wobei elektrische, hydraulische oder pneumatische Aktuatoren unterstützend eingesetzt werden.

Ein solches System kommt beispielsweise in einem geländegängigen Nutzfahrzeug mit einem Gesamtgewicht von über zehn Tonnen zum Einsatz [3]. Es erreicht gegenüber ei- nem konventionellen System eine deutlich höhere Aufbaudämpfung, die Wankbewe- gungen konnten stark verringert werden.

Für praktische, kostengünstige Anwen- dungen sind besonders semiaktive Fede- rungssysteme interessant. Der Energiebe- darf und der technische Aufwand ist in der Regel geringer. Gleichzeitig ist das Verbes- serungspotenzial hoch. Zur Realisierung der verstellbaren Dämpfung bieten sich neben schaltungstechnischen Maßnahmen auch der Einsatz von elektro- oder magnetorheo- logischen Flüssigkeiten an.

Umsetzung eines semiaktiven Fahr- werksregelers in einem Traktor

Bild 1 zeigt den konstruktiven Aufbau der umgebauten Hinterachse und Bild 2 den ver- einfachten Hydraulikschaltplan der hydrop- neumatischen Hinterachsfederung. Die Ver- stellung der Dämpfungscharakteristik er- folgt über die Betätigung der schaltenden 2/2-Wegeventile. Bei der konstruktiven Um- setzung wurde versucht, möglichst viele Tei- le des Originalfahrzeuges wieder zu verwen- den. Entsprechend wurde die Starrachse wiederverwendet und eine Längslenkerkon- struktion mit zwei hydraulischen Dämpfern realisiert.

Von dem umgebauten Fahrzeug wurde ein Simulationsmodell in Matlab/Simulink er- stellt. Das Simulationsmodell

wurde genutzt, um damit einen semiaktiven Regler zur Unter- drückung der Schwingungen auszulegen. Die Berechnungs- methode für die Beeinflussung der Dämpfung basiert dabei auf

der Skyhook-Theorie. Für die Fahrwerksre- gelung wurde, ausgehend von diesen Arbei- ten, ein digitaler Regler entwickelt und in den Traktor integriert. Der Traktor wurde dann auf dem hydraulischen Fahrbahnsimu- lator der TU Berlin untersucht.

In den Experimenten wurden die signifi- kanten Beschleunigungswerte, Geschwin- digkeiten und Wege erfasst. Bild 3 zeigt den Messschrieb und die Simulationswerte für die Nickbeschleunigungen.

Die Experimente wurden dann mit einer passiv und einer semiaktiv geregelten Hin- terachsfederung durchgeführt. Der Ver- gleich zeigt, dass bei dem semiaktiven Sys- tem die RMS-Beschleunigungswerte für die gewählte Konfiguration um 5 % bis 10 % niedriger sind als bei dem passiven.

Zusammenfassung

Geregelte Fahrwerke haben bei Traktoren ein großes Potenzial, die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort zu verbessern. Die bisherigen Versuche an der TU Berlin bestätigen diese Aussage für ein Trac-Fahrzeug. Weiter- führende Untersuchungen mit dem semiakti- ven System, bei denen die Belastungsver- hältnisse variiert, reale Arbeitssituationen si- muliert sowie verschiedene Reglerkonzepte umgesetzt werden, sollen tiefergehende Er- kenntnisse über die praktischen Eigenschaf- ten eines solchen Systems liefern.

Literatur

Bücher sind mit • gezeichnet

[1] Scarlett, A. J., J. S. Price and R. M. Stayner : Whole- body vibration: Evaluation of emission and exposure levels arising from agricultural tractors. Journal of Terramechanics 44 (2007), pp. 65 - 73

[2] • Hoppe, U.: Einfluss der Hinterachsfederung auf die Fahrdynamik von Traktoren. Dissertation, Technische Universität Berlin, 2006; Wiku-Verlag, 2007

[3] Schäfer, E., K.-P. Jäker und A. Wielenberg : Aktive Federung für ein geländegängiges Nutzfahrzeug.

Entwicklung und Inbetriebnahme. VDI-Berichte Band 1931, 2006, S. 35 – 44

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Bild 2: Hydraulikschaltplan Fig. 2: Hydraulic connection diagram

Bild 3: Spektrale Leistungsdichte für die Nickbewegung (Anregung:

Impuls, Amplitude: 40 mm) Fig. 3: Power spectrum density of the pitch acceleration (input:

impulse, amplitude: 40 mm)